AFM探針的作用和特點(diǎn)
發(fā)布日期：2021-12-06 14:58:17
AFM探針基本上是通過(guò)微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)加工硅或氮化硅來(lái)制備的。探針尖端的半徑一般為10到幾十納米。微懸臂梁通常由硅片或氮化硅片制成，一般長(zhǎng)100~500m，厚約500 ~ 5 m。典型的硅微懸臂梁長(zhǎng)約100m，寬約10m，厚約幾微米。
各種應(yīng)用領(lǐng)域的顯微鏡都是利用AFM探針與樣品之間不同的相互作用力發(fā)展起來(lái)的，如AFM (Van der Manali)、靜電力顯微鏡EFM(靜電力)、磁力顯微鏡MFM(靜磁力)、側(cè)向力顯微鏡LFM(探針側(cè)向偏轉(zhuǎn)力)等。因此，有相應(yīng)的探針對(duì)應(yīng)不同種類的顯微鏡。
原子力顯微鏡是表征薄膜性能的重要手段之一。它不僅是一臺(tái)顯微鏡，也是一個(gè)多功能的微納測(cè)量和操作平臺(tái)。
當(dāng)AFM探針針尖靠近樣品時(shí)，在針尖原子與樣品表面原子相互作用力的影響下，懸臂梁會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，改變反射光的位置。當(dāng)探頭掃過(guò)樣品表面時(shí)，光電檢測(cè)系統(tǒng)將記錄激光束的偏轉(zhuǎn)(懸臂梁的偏轉(zhuǎn))并反饋給系統(tǒng)，系統(tǒng)將通過(guò)信號(hào)放大器將其轉(zhuǎn)換為樣品的表面特征。
原子力顯微鏡的核心部件是AFM探針，AFM探針的質(zhì)量(是否磨損或污染)將直接決定掃描結(jié)果的真實(shí)性。當(dāng)原子力顯微鏡的探針磨損后，樣品的掃描圖像中會(huì)出現(xiàn)大量的正三角形。當(dāng)AFM探針嚴(yán)重磨損或污染時(shí)，形貌圖像中會(huì)出現(xiàn)規(guī)則的重影圖案。這些由探針磨損引起的三角形或重影圖案稱為偽影。當(dāng)形貌圖像出現(xiàn)偽影時(shí)，需要及時(shí)更換探頭，否則測(cè)量數(shù)據(jù)不可信。
與掃描電子顯微鏡相比，AFM探針的原子力顯微鏡有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。與電子顯微鏡不同，電子顯微鏡提供樣品的二維投影或二維圖像，原子力顯微鏡提供三維表面輪廓。此外，原子力顯微鏡觀察到的樣品不需要任何會(huì)不可逆地改變或損傷樣品的特殊處理(如金屬/碳涂層)，通常不受圖像中帶電偽像的影響。電子顯微鏡需要昂貴的真空環(huán)境才能正常工作，而大多數(shù)原子力顯微鏡在環(huán)境空氣甚至液體環(huán)境中都能很好地工作。這使得研究生物大分子甚至生物有機(jī)體成為可能。
原則上，AFM探針的原子力顯微鏡可以提供比掃描電子顯微鏡更高的分辨率。已經(jīng)證明它可以在真空(UHV)和最近在液體環(huán)境中提供原子分辨率。高分辨率原子力顯微鏡的分辨率與掃描隧道顯微鏡和透射電子顯微鏡相當(dāng)。原子力顯微鏡還可以與各種光學(xué)顯微鏡和光譜技術(shù)相結(jié)合，如紅外光譜的熒光顯微鏡，從而產(chǎn)生掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡和納米傅里葉變換紅外光譜，并進(jìn)一步擴(kuò)展其適用性。
各種應(yīng)用領(lǐng)域的顯微鏡都是利用AFM探針與樣品之間不同的相互作用力發(fā)展起來(lái)的，如AFM (Van der Manali)、靜電力顯微鏡EFM(靜電力)、磁力顯微鏡MFM(靜磁力)、側(cè)向力顯微鏡LFM(探針側(cè)向偏轉(zhuǎn)力)等。因此，有相應(yīng)的探針對(duì)應(yīng)不同種類的顯微鏡。
原子力顯微鏡是表征薄膜性能的重要手段之一。它不僅是一臺(tái)顯微鏡，也是一個(gè)多功能的微納測(cè)量和操作平臺(tái)。
當(dāng)AFM探針針尖靠近樣品時(shí)，在針尖原子與樣品表面原子相互作用力的影響下，懸臂梁會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，改變反射光的位置。當(dāng)探頭掃過(guò)樣品表面時(shí)，光電檢測(cè)系統(tǒng)將記錄激光束的偏轉(zhuǎn)(懸臂梁的偏轉(zhuǎn))并反饋給系統(tǒng)，系統(tǒng)將通過(guò)信號(hào)放大器將其轉(zhuǎn)換為樣品的表面特征。
原子力顯微鏡的核心部件是AFM探針，AFM探針的質(zhì)量(是否磨損或污染)將直接決定掃描結(jié)果的真實(shí)性。當(dāng)原子力顯微鏡的探針磨損后，樣品的掃描圖像中會(huì)出現(xiàn)大量的正三角形。當(dāng)AFM探針嚴(yán)重磨損或污染時(shí)，形貌圖像中會(huì)出現(xiàn)規(guī)則的重影圖案。這些由探針磨損引起的三角形或重影圖案稱為偽影。當(dāng)形貌圖像出現(xiàn)偽影時(shí)，需要及時(shí)更換探頭，否則測(cè)量數(shù)據(jù)不可信。
與掃描電子顯微鏡相比，AFM探針的原子力顯微鏡有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。與電子顯微鏡不同，電子顯微鏡提供樣品的二維投影或二維圖像，原子力顯微鏡提供三維表面輪廓。此外，原子力顯微鏡觀察到的樣品不需要任何會(huì)不可逆地改變或損傷樣品的特殊處理(如金屬/碳涂層)，通常不受圖像中帶電偽像的影響。電子顯微鏡需要昂貴的真空環(huán)境才能正常工作，而大多數(shù)原子力顯微鏡在環(huán)境空氣甚至液體環(huán)境中都能很好地工作。這使得研究生物大分子甚至生物有機(jī)體成為可能。
原則上，AFM探針的原子力顯微鏡可以提供比掃描電子顯微鏡更高的分辨率。已經(jīng)證明它可以在真空(UHV)和最近在液體環(huán)境中提供原子分辨率。高分辨率原子力顯微鏡的分辨率與掃描隧道顯微鏡和透射電子顯微鏡相當(dāng)。原子力顯微鏡還可以與各種光學(xué)顯微鏡和光譜技術(shù)相結(jié)合，如紅外光譜的熒光顯微鏡，從而產(chǎn)生掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡和納米傅里葉變換紅外光譜，并進(jìn)一步擴(kuò)展其適用性。